I regolatori di tensione prendono una tensione di ingresso e creano una tensione di uscita regolata indipendentemente dalla tensione di ingresso a un livello di tensione fisso o regolabile. Questa regolazione automatica del livello di tensione di uscita è gestita da varie tecniche di feedback. Alcune di queste tecniche sono semplici come un diodo Zener. Altri includono complesse topologie di feedback che migliorano le prestazioni, l'affidabilità e l'efficienza e aggiungono altre funzionalità come l'aumento della tensione di uscita al di sopra della tensione di ingresso al regolatore di tensione.
I regolatori di tensione sono una caratteristica comune in molti circuiti per garantire che una tensione costante e stabile venga fornita all'elettronica sensibile.
Come funzionano i regolatori di tensione lineari
Il mantenimento di una tensione fissa con un ingresso sconosciuto e potenzialmente rumoroso richiede un segnale di feedback per chiarire quali regolazioni devono essere apportate. I regolatori lineari utilizzano un transistor di potenza come resistore variabile che si comporta come la prima metà di una rete di divisori di tensione. L'uscita del partitore di tensione aziona il transistor di potenza in modo appropriato per mantenere una tensione di uscita costante.
Poiché il transistor si comporta come un resistore, spreca energia convertendola in calore, spesso molto calore. Poiché la potenza totale convertita in calore è uguale alla caduta di tensione tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita moltiplicata per la corrente fornita, la potenza dissipata può spesso essere molto elevata, richiedendo buoni dissipatori di calore.
Una forma alternativa di regolatore lineare è un regolatore shunt, come un diodo Zener. Piuttosto che agire come una resistenza in serie variabile come fa il tipico regolatore lineare, un regolatore shunt fornisce un percorso verso terra per il flusso di tensione (e corrente) in eccesso. Questo tipo di regolatore è spesso meno efficiente di un tipico regolatore lineare di serie. È pratico solo quando è necessaria e fornita poca energia.
Come funzionano i regolatori di tensione a commutazione
Un regolatore di tensione a commutazione funziona secondo un principio diverso rispetto ai regolatori di tensione lineari. Invece di agire come un dissipatore di tensione o corrente per fornire un'uscita costante, un regolatore a commutazione immagazzina energia a un livello definito e utilizza il feedback per garantire che il livello di carica sia mantenuto con un'ondulazione di tensione minima. Questa tecnica consente al regolatore a commutazione di essere più efficiente del regolatore lineare accendendo completamente un transistor (con una resistenza minima) solo quando il circuito di accumulo di energia necessita di un'esplosione di energia. Questo approccio riduce la potenza totale sprecata nel sistema alla resistenza del transistor durante la commutazione mentre passa da conduzione (resistenza molto bassa) a non conduttiva (resistenza molto alta) e altre piccole perdite di circuito.
Più velocemente commuta un regolatore a commutazione, minore è la capacità di accumulo di energia necessaria per mantenere la tensione di uscita desiderata, il che significa che è possibile utilizzare componenti più piccoli. Tuttavia, il costo di una commutazione più rapida è una perdita di efficienza poiché viene dedicato più tempo alla transizione tra lo stato di conduzione e quello di non conduzione. Più potenza viene persa dal riscaldamento resistivo.
Un altro effetto collaterale di una commutazione più rapida è l'aumento del rumore elettronico generato dal regolatore di commutazione. Utilizzando diverse tecniche di commutazione, un regolatore di commutazione può:
- Ridurre la tensione di ingresso (topologia buck).
- Aumenta la tensione (topologia boost).
- Entrambi diminuiscono o aumentano la tensione (buck-boost) secondo necessità per mantenere la tensione di uscita desiderata.
Questa flessibilità rende i regolatori a commutazione un'ottima scelta per molte applicazioni alimentate a batteria perché il regolatore a commutazione può aumentare o aumentare la tensione di ingresso dalla batteria quando la batteria si scarica.
